水资源系统本身是一个高度复杂的非线性系统,其功能与作用是多方面、多层次的. 一个复杂的水资源系统往往是一个包含有多个水体和工程单元、多种开发目标、多种约束和多种影响的流域系统. 在物理上, 复杂水资源系统是由各种基本元素, 如供水水源、用水户、输水配水工程以及它们之间的输水连线等组成, 通过不同的调度运行策略, 对不确定的天然水资源进行时空调节分配. 由于水资源系统固有的复杂性, 对流域进行水资源合理配置和可持续发展决策分析需要高效的综合分析工具. 国外开发了各种有较高应用价值的水资源模拟模型软件, 并充分利用计算机技术完成了系统化集成, 如 WATERWARE (奥地利), IQQM(澳大利亚), RIVERWARE(美国),Aquarius (美国)]和 MIKE BASIN(丹麦)等; 国内学者对于水资源系统模拟研究在广度和深度也有所提高, 突破了以往仅考虑水资源供需平衡分析的范畴,扩展到将系统作为整体从而进行模拟, 如 WASYS、水资源配置动态模拟模型、ROWAS、WROOM.上述各种模型在描述水资源系统的复杂规则时, 各自有其适用范围、特长和缺点. 水资源系统中存在着各种不确定性因素, 如降雨事件在时空上的不确定性、输水工程中水量损失的不确定性、不同时期用户对水量需求的不确定性等, 许多学者已经将不确定性的研究方法应用到水文水资源领域中, Xia对水文系统的非线性与不确定性进行了研究分析; 陈守煜创立了以相对隶属度为基础的工程模糊集理论,对复杂水资源系统优化决策进行了研究; Li 等人建立了区间参数随机非线性规划模型, 并将其应用到多水源分配决策上. 可以看出, 当前对于复杂水资源系统不确定性的研究大多集中在水资源的规划及管理层面, 对于系统中存在的实际问题, 如综合考虑复杂水资源系统的不确定性, 如何实现系统的最优平衡状态等研究较少.
本文在借鉴现有研究成果的基础上, 为应对复杂水资源系统中所呈现的随机性, 即受水区来水过程和用水过程不相吻合, 尤其是枯水年份受水区的用水过程难以得到满足, 本文设置调蓄节点对系统进行模拟计算, 构建了复杂水资源系统调蓄计算时变耦合模型, 建立了多水源、多用户的时变耦合矩阵及相关算法, 使供水过程在时空分布上符合用水需要, 在地域分布上与生产力布局相适应, 并将该模型应用于引汉济渭配水工程的调蓄计算.
1 时变耦合模型
时变耦合的定义是两个(或多个)随时间变化的物理量通过自适应调整(即耦合)达到 Lyapunov稳定的过程. 本文所述的时变耦合模型是指通过随时间变化的耦合矩阵进行自我调整, 实现复杂水资源系统供水过程与需求过程的动态平衡. 时变耦合模型的建立包括构造目标函数、确定耦合矩阵元素的约束条件、优化求解 3 个主要步骤.
2 模型计算实例
该模型已实际应用于陕西省省内跨流域调水工程引汉济渭配水工程调蓄计算中, 该工程是在陕南地区的汉江干流黄金峡和支流子午河分别修建水源工程黄金峡水利枢纽和三河口水利枢纽, 通过穿越秦岭的超长输水隧洞将汉江流域水量调至关中地区渭河流域, 是缓解近期关中渭河沿线城市和工业缺水问题的重要工程措施. 引汉济渭工程拟定给西安、宝鸡、咸阳、渭南、杨凌 5 个重点城市供水, 共计 16 个受水单元(水厂), 供水对象为水厂覆盖范围内的城镇生活用水与工商企事业单位用水. 受水区共有 4 类供水水源: 引汉济渭水、当地地表水、地下水、再生水; 包括 4 条输配水干线: 南干线、过渭干线、渭北东干线、渭北西干线. 将引汉济渭秦岭隧洞的来水沿输水线路布设 15个调蓄节点对 16个受水单元(水厂)供水。
3 调蓄计算结果
采用本次构建的模型, 分析得到 2030 年引汉济渭工程调水 15108m3时, 16 个受水单元(水厂)的长系列逐旬的调蓄过程, 各受水单元(水厂)调蓄过程的最大值与最小值的差值如图 4 方框内括号中数据所示, 模型的计算过程中, 综合考虑水厂的分布及调蓄节点的上下游逻辑关系, 将水厂的蓄水过程做累加处理, 即对 15 个调蓄节点进行联合调蓄, 得到各调蓄节点长系列蓄水过程线, 如图 5 所示, 并取蓄水过程的最大值与最小值的差值作为其所需的调蓄容量,如图 4 圆圈旁括号中数据所示. 可以看出, 2030 年引汉济渭长系列调蓄后所需的多年调蓄库容为 9.15108m3, 系统缺水量为 0.91108m3. 不同频率典型年终节点逐旬的调蓄过程, 95%, 75%, 50%频率年所需的年调蓄库容分别为 0.65108, 0.69108和 0.85108m3, 系统缺水量分别为 5.01108, 3.76108和0.88108m3, 由此可以看出, 95%频率年所需年调蓄库容小是以系统缺水为代价的, 换句话说就是无水可调.
4 结论
(1) 本文从复杂水资源系统的角度分析了供水水源、受水单元与调蓄节点之间的关系, 确立了以最佳平衡状态为目标的水量供需平衡函数, 建立了复杂水资源系统调蓄计算的时变耦合模型, 对模型的构建及其原理做了阐述, 为应对随时间变化的供用水过程, 解决复杂水资源系统调蓄需求计算提供了科学的计算方法.
(2) 本模型有较强的适用性和灵活性. 在上述引汉济渭的工程实例中, 来水量和来水过程受丰枯频率影响较大, 通过模型的分析计算, 较好地模拟了不同频率典型年各调蓄节点的调蓄容量及系统整体所需调蓄容量, 对于确定工程总体规模具有很强的适用性. 此外, 对于调整受水单元数量或改变供水水源类型, 只需针对不同的来水条件及工程供水能力, 修改输入数据文件, 调整参数, 程序不需要做任何改动,操作灵活简单.
(3) 长系列调蓄是将 1954~2008 年逐年来水旬过程作为模型的输入数据, 采用丰增枯补的调蓄原则,调蓄库容没有设置边界条件, 得到系统所需多年调蓄库容为 9.15108m3. 且以不同方式进行分散调蓄所需的调蓄库容大于联合调蓄所需的调蓄库容.
(4) 不同频率典型年调蓄是将长系列中所选的50%, 75%, 95%频率典型年单年的来水过程作为模型的输入数据, 得到系统所需年调蓄库容分别为 0.85108, 0.69108, 0.65108m3. 可以看出, 年调蓄库容均不足1108m3, 且越是枯水年份, 所需调蓄库容越小,对应系统的缺水量也越大, 因为此时系统无水可调.